Materi, substansi penyusun seluruh benda fisik, menampilkan serangkaian sifat termal yang penting untuk memahami dunia di sekitar kita. Sifat-sifat ini—seperti suhu, kalor, dan muai panas—diatur oleh prinsip perpindahan energi dan hukum fisika.
Suhu adalah ukuran energi kinetik rata-rata partikel dalam suatu zat, sering kali diukur dalam derajat Celcius (°C), Fahrenheit (°F), atau Kelvin (K). Sebaliknya, panas adalah suatu bentuk perpindahan energi antara dua benda atau sistem karena perbedaan suhu. Satuan kalor dalam Satuan Sistem Internasional (SI) adalah joule (J). Hubungan antara kalor ( \(Q\) ), massa ( \(m\) ), kapasitas kalor jenis ( \(c\) ), dan perubahan suhu ( \(\Delta T\) ) digambarkan dengan persamaan: \(Q = mc\Delta T\) Kapasitas kalor jenis adalah ukuran jumlah energi panas yang diperlukan untuk mengubah suhu satu kilogram suatu zat sebesar satu derajat Celcius.
Jika suatu bahan dipanaskan, biasanya bahan tersebut memuai. Fenomena ini dikenal sebagai pemuaian termal dan dapat diamati pada benda padat, cair, dan gas. Pemuaian termal terjadi karena peningkatan suhu mengakibatkan peningkatan energi kinetik partikel sehingga menyebabkan partikel bergerak menjauh. Besarnya muai panas dapat digambarkan dengan koefisien muai panjang ( \(\alpha\) ), untuk benda padat, yang menunjukkan perubahan panjang ( \(\Delta L\) ) per satuan panjang ( \(L\) ) perubahan suhu per derajat ( \(\Delta T\) ): \(\Delta L = \alpha L \Delta T\) Untuk zat cair dan gas, pemuaian volume lebih relevan dibandingkan pemuaian linier, dan hal ini digambarkan dengan koefisien dari ekspansi volumetrik.
Perubahan fasa adalah transformasi antara fasa padat, cair, dan gas suatu zat dan melibatkan penyerapan atau pelepasan energi tanpa mengubah suhu. Jenis utama perubahan fasa meliputi peleburan, pembekuan, penguapan, kondensasi, sublimasi, dan pengendapan. Panas yang terkait dengan perubahan fasa dikenal sebagai panas laten. Misalnya, energi yang diperlukan untuk mengubah 1 kg es menjadi air tanpa mengubah suhu disebut panas laten peleburan ( \(L f\) ), sedangkan energi yang diperlukan untuk mengubah 1 kg air menjadi uap tanpa perubahan suhu disebut panas laten penguapan ( \(Lv\) ): \(Q = mL_f\) untuk peleburan atau pembekuan, \(Q = mL_v\) untuk penguapan atau kondensasi.
Energi panas dapat ditransfer melalui materi secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Konduksi adalah perpindahan panas antar zat yang saling bersentuhan langsung. Konduktivitas termal ( \(k\) ) suatu bahan adalah ukuran kemampuannya dalam menghantarkan panas. Hukum konduksi termal Fourier menunjukkan hubungan antara laju perpindahan panas ( \(Q/t\) ), konduktivitas termal ( \(k\) ), luas ( \(A\) ), gradien suhu ( \(\Delta T/L\) ), dan ketebalan bahan ( \(L\) ): \(Q/t = kA(\Delta T/L)\) Konveksi adalah perpindahan panas melalui pergerakan fluida (cairan atau gas ) disebabkan oleh perbedaan suhu. Ini melibatkan pergerakan sebagian besar cairan. Radiasi merupakan perpindahan energi melalui gelombang elektromagnetik dan tidak memerlukan medium untuk merambat. Semua benda memancarkan radiasi termal, dan jumlah radiasi yang dipancarkan meningkat dengan pangkat empat suhu benda, sebagaimana dijelaskan oleh hukum Stefan-Boltzmann: \(P = \sigma AT^4\) di mana \(P\) adalah daya yang dipancarkan, \(\sigma\) adalah konstanta Stefan-Boltzmann, \(A\) adalah luas permukaan, dan \(T\) adalah suhu dalam Kelvin.
Air memiliki beberapa sifat unik terkait dengan kapasitas panas spesifiknya dan perilakunya mendekati suhu 4°C. Kapasitas panas spesifik air sangat tinggi, yang berarti air memerlukan banyak energi panas untuk meningkatkan suhunya, sehingga berkontribusi terhadap perannya sebagai penyangga termal dalam ekosistem. Selain itu, air mencapai kepadatan maksimumnya pada suhu 4°C; saat mendingin di bawah suhu ini, ia mengembang. Perluasan anomali ini sangat penting bagi kelangsungan hidup kehidupan akuatik di iklim dingin, karena es terbentuk di permukaan badan air, yang mengisolasi air di bawahnya.
Sifat termal suatu materi memiliki penerapan yang luas dalam kehidupan sehari-hari dan industri. Misalnya, ekspansi termal dipertimbangkan dalam desain jembatan dan rel kereta api untuk memungkinkan ekspansi dan kontraksi seiring dengan perubahan suhu. Kapasitas panas spesifik air yang tinggi menjadikannya sebagai pendingin yang sangat baik dalam proses industri dan pembangkit listrik.
Dalam percobaan untuk menunjukkan kapasitas panas spesifik air, pemanas digunakan untuk mentransfer sejumlah energi yang diketahui ke sejumlah air yang diukur. Dengan mengamati perubahan suhu, siswa dapat menghitung kapasitas kalor jenis air dengan menggunakan rumus \(Q = mc\Delta T\) .
Demonstrasi umum lainnya melibatkan penempatan balon di atas labu berisi air. Saat air memanas dan berubah menjadi uap, balon mengembang karena uap air mendorong udara. Hal ini menunjukkan pemuaian air ketika berubah menjadi gas, efek nyata dari pemuaian termal suatu materi.
Memahami sifat termal materi tidak hanya meningkatkan pemahaman kita tentang fisika dasar tetapi juga memperkaya kemampuan kita untuk merekayasa solusi untuk berbagai tantangan praktis.
